譚銀朝，劉國平，韓正云

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基于CC-Link/LT、PLC、LabVIEW的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)研究

譚銀朝，劉國平，韓正云

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316022）

基于CC-Link/LT現(xiàn)場總線、LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺及可編程邏輯控制器三菱PLC，設(shè)計了一種船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計分為信息層、控制層以及設(shè)備層。通過硬件設(shè)計、軟件編程等實現(xiàn)對各柴油機(jī)組、各發(fā)電機(jī)組以及電網(wǎng)等進(jìn)行自動化監(jiān)控及可視化。

船舶電站 CC-Link/LT 三菱PLC LabVIEW 自動監(jiān)控

0 引言

21世紀(jì)以來，航運業(yè)經(jīng)歷了前所未有的大繁榮。雖然前幾年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)導(dǎo)致航運業(yè)的持續(xù)低迷，但是從長遠(yuǎn)來看航運事業(yè)的重要性也是不容質(zhì)疑的。隨著社會的發(fā)展，對船舶自動化水平的要求也越來越高。

船舶電站自動監(jiān)控是船舶自動化的核心，現(xiàn)代船舶對船舶電力系統(tǒng)的依賴性越來越強[1]。良好的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，可以極大地降低船員的工作強度，提高工作效率，提高船舶供電的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性等。本文基于LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument En-gineering Workbench,實驗室虛擬儀器工程平臺)、PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、CC-Link/LT（Control and Communication Link/LT，開放式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò))現(xiàn)場總線技術(shù)等，設(shè)計一種可視化船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)。

1 LabVIEW、PLC以及CC-Link/LT概述

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，比較形象直觀，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，而不是程序代碼[2]。它提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑?？梢允勾半娬纠锏囊恍﹨?shù)直觀的顯示在畫面上。

所用的控制核心為三菱FX2N系列PLC，其擁有使用靈活、可靠性高、體積小、調(diào)試周期短、性價比高、抗干擾能力強等特點，正適用于船舶電站環(huán)境惡劣的要求。

CC-Link是現(xiàn)場總線的一種，F(xiàn)CS（Fieldbus Control System，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）是繼DCS（Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)）之后出現(xiàn)的新一代過程控制體系結(jié)構(gòu)。其采用全數(shù)字式的信號傳輸方式，可提高檢測精度，可減少I/O裝置，其系統(tǒng)徹底的分散性可提高系統(tǒng)的靈活性，可減少系統(tǒng)的維護(hù)量，提高系統(tǒng)的可靠性[3]。CC-Link現(xiàn)場總線自1996年被推出以后，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額，并在歐洲和北美發(fā)展迅速。其具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本、優(yōu)異的抗噪性能和兼容性等優(yōu)點。CC-Link/LT是在CC-Link的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，繼承了CC-Link的所有優(yōu)點，是比CC-Link更加低端的分支網(wǎng)絡(luò)，是最優(yōu)化的底層現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

在船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)過程控制中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集分散，所需I/O點數(shù)眾多，在船上各種儀表的工作環(huán)境要比陸地上惡劣的多，采用數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW 開發(fā)平臺進(jìn)行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集以及控制很不合適。而PLC恰恰可以克服數(shù)據(jù)采集卡在過程控制中的不足，又具有過程控制中所需的所有優(yōu)點[4]。并且CC-Link/LT就是針對控制點分散、省配線、節(jié)省成本的要求和高速響應(yīng)、高可靠性設(shè)計和研發(fā)的開放式協(xié)議。本文用三者的結(jié)合充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，來開發(fā)這種船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 船舶電站自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計總體包括三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采取以裝有LabVIEW 軟件的工控機(jī)為上位機(jī)開發(fā)平臺，即信息層。以三菱FX2N系列PLC為下位機(jī)，即控制層。上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與下位機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析。以CC-Link/LT現(xiàn)場總線以及數(shù)據(jù)采集儀表作為設(shè)備層。

2.2 系統(tǒng)所實現(xiàn)的主要功能

上位機(jī)能夠直觀的把各機(jī)組的實時運行狀態(tài)包括各發(fā)電機(jī)組的頻率、電壓、電流、功率等參數(shù)顯示出來，單擊對應(yīng)按鈕可顯示各機(jī)組的詳細(xì)運行狀態(tài)。并且可以通過界面直接操作來實現(xiàn)對PLC的控制，進(jìn)而以PLC為依托實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。下位機(jī)PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與控制執(zhí)行等功能，LabVIEW程序通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問和修改 PLC變量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的輸出、控制等功能。包括機(jī)組電壓自動調(diào)整、機(jī)組自動啟動、首機(jī)自動投入、自動準(zhǔn)同步并車、自動調(diào)頻調(diào)載、自動轉(zhuǎn)移負(fù)荷及解列、機(jī)組自動停機(jī)等功能。

3 船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計針對3臺主發(fā)電機(jī)組以及1臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。其主要硬件組成如圖1所示。其主要元件有：

1) 聯(lián)想工控機(jī)：本系統(tǒng)采用聯(lián)想工控機(jī)，其與LabVIEW相結(jié)合，可實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)可視化，以及直觀的控制操作界面。

2) 三菱FX2N系列 PLC：它是整個系統(tǒng)的運算及控制核心，通訊功能比較強大。

3) FX2N-64CL-M模塊：作為系統(tǒng)的CC-Link／LT通訊模塊，即CC-Link／LT主站。其可以節(jié)省控制柜及設(shè)備內(nèi)接線，最多可與64個遠(yuǎn)程I/O站模塊鏈接，各遠(yuǎn)程I/O站通過該模塊與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時PLC也通過該模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

4) 遠(yuǎn)程 I/O 模塊：遠(yuǎn)程 I/O 模塊是具有通訊功能的數(shù)據(jù)采集、傳送模塊，在現(xiàn)場設(shè)備與PLC之間傳送數(shù)據(jù)。可選用的型號有：CL1X4-D1B2：四點直流輸入、CL2X8-D1B2：8點直流輸入、CL2Y8-TP1B2:8點晶體管輸出、CL1XY4-DT1B2:2點直流輸入/2點晶體管輸出、CL1XY8-DR1B2:4點直流輸入/4點繼電器輸出等，具體可根據(jù)不同控制柜需要來進(jìn)行選型。

5) 遠(yuǎn)程 A/D模塊：可選用CL2AD4-B模塊，它可以將采集的模擬電量信號比如電壓、電流信號就近轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，經(jīng)CC-Link／LT總線不失真地傳送至系統(tǒng)主站，供PLC分析判斷使用。

6) 通信接口：工業(yè)以太網(wǎng)。以工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作為LabVIEW與PLC的通信方式。它是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，軟件硬件成本低廉，通訊速率高。以以太網(wǎng)實現(xiàn)控制層與信息層的無縫連接，形成管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

7) CL1PAD1電源適配器：由外部電源對CC-Link/LT系統(tǒng)供電時，為了整個系統(tǒng)穩(wěn)定而使用的電源適配器。

4 船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計部分分為PLC控制編程和人機(jī)操作界面軟件編程兩部分。PLC控制編程用GX Works2。人機(jī)操作界面編程用LabVIEW。通過LabVIEW、PLC、CC-Link／LT 現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，為船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)搭建了一個智能化的控制平臺。系統(tǒng)可通過LabVIEW及PLC后臺控制程序，對各啟/?？刂茊卧?、框架式空氣斷路器、調(diào)速器及其它控制器件進(jìn)行控制和管理。限于篇幅，本文僅介紹部分主要的監(jiān)測與控制程序設(shè)計。

4.1 PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

本設(shè)計用模塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)下位機(jī)PLC的各控制程序。運行時采用主程序調(diào)用子程序的形式進(jìn)行循環(huán)監(jiān)控。各子程序采取模塊化編程。本系統(tǒng)的主要模塊有：重載詢問模塊、備用機(jī)自啟動模塊、自動并車模塊、自動負(fù)荷分配模塊、自動解列、停機(jī)模塊等。

首先應(yīng)考慮斷電事故對船舶電站的威脅，再考慮船舶電站運行的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等等。當(dāng)船舶電網(wǎng)突然斷電時，需自動啟動備用機(jī)組以最快的速度恢復(fù)供電。其故障解決流程如圖2所示。

圖2 船舶電站自動監(jiān)控故障解決流程

當(dāng)檢測到電網(wǎng)失電后，需要同時起動兩臺備用機(jī)組，然后把先啟動好的機(jī)組首先并入使用，如果首機(jī)合閘成功便停止另一機(jī)組。否則要把另一機(jī)組并車，停止首機(jī)組。假如都沒有合閘成功則需要聲光報警。

其次，PLC要根據(jù)首機(jī)的各種參數(shù)判斷電站的各種運行狀態(tài)，然后采取相應(yīng)的對策，確保電站的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等。主控制流程如圖3所示。

在單機(jī)運行的情況下，要對重載詢問、運行機(jī)故障情況進(jìn)行監(jiān)控，如果需要備用機(jī)自啟動則調(diào)用備用機(jī)啟動模塊的控制子程序，成功后再調(diào)用自動并車模塊子程序，然后自動調(diào)頻調(diào)載，并聯(lián)運行。如果是原發(fā)電機(jī)故障，就自動停機(jī)解列，返回。并聯(lián)運行時如果輕載，就自動把備用機(jī)組解列、停機(jī)，返回單機(jī)運行，繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測。

4.2 監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面軟件采用LabVIEW設(shè)計。根據(jù)該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的具體功能，本設(shè)計實現(xiàn)了主監(jiān)控界面、各發(fā)電機(jī)及對應(yīng)柴油機(jī)運行監(jiān)控界面、并網(wǎng)監(jiān)控界面、報警界面、數(shù)據(jù)趨勢圖等。

圖3 船舶電站自動監(jiān)控主程序流程圖

圖4 船舶電站自動監(jiān)控主監(jiān)控界面

以主監(jiān)控界面為例，如圖4所示。界面的右上角可以顯示當(dāng)前的時間，還可以顯示電網(wǎng)的狀態(tài)參數(shù)、各發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)以及各種參數(shù)，可以實現(xiàn)自動、手動運行方式切換，同時還可以聲光報警。點擊相應(yīng)的機(jī)組按鈕，可以查看更詳細(xì)的機(jī)組信息，如圖5所示。包括機(jī)組運行的時間（天：時：分）、當(dāng)前時間、運行情況、機(jī)組及柴油機(jī)的滑油壓力、氣瓶壓力冷卻水溫度等各種參數(shù)。點擊界面底部的返回鍵又可以回到主監(jiān)控界面，點擊左右按鈕可以切換機(jī)組。從而實現(xiàn)更好的人機(jī)界面操作。

5 總結(jié)

本文開發(fā)了基于 CC-Link／LT 、PLC、LabVIEW的大型船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶電站系統(tǒng)的可視化管理和控制。在相互的配合下可以把三者的優(yōu)勢進(jìn)行充分的發(fā)揮，使得該系統(tǒng)的可靠性、方便性、可操作性、簡潔性等有了進(jìn)一步提高。經(jīng)過模擬實驗，初步實現(xiàn)了對三臺發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控，系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，這種基于CC-Link／LT 、PLC、LabVIEW相結(jié)合的方法，是一種開發(fā)智能化圖形監(jiān)控系統(tǒng)的有效方法，具有廣泛的應(yīng)用價值。

圖5 機(jī)組詳細(xì)信息

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Study on Monitoring System of Ship Power Plant Based on CC-Link/LT, PLC and LabVIEW

Tan Yinchao, Liu Guoping, Han Zhengyun

(Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

U665.12

A

1003-4862（2014）12-0019-04

2014-06-05

譚銀朝（1989-），男，研究生。專業(yè)方向：船舶與海洋工程。